L'amélioration de la qualité de l'air est devenue un enjeu majeur notamment en termes de santé publique et d'environnement. Selon l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS), la pollution de l'air était responsable de décès prématurés de 7 millions de personnes par an à travers le monde (rapport OMS 2013). Ceci est lié principalement à l'aggravation des allergies de nombreuses maladies cardiaques, pulmonaires ou encore respiratoires. Parmi les différentes sources de polluants gazeux et particulaires, le transport automobile en est le principal contributeur en zone urbaine et périurbaine. Roumegas et Saddier (2016) indiquent qu'en France le secteur routier est responsable de l'émission des NOx, des PM10 et des PM2.5 à hauteur de 54%, 16% et 19%, respectivement.

Afin de limiter l'exposition à ces polluants en particulier les particules ultrafines, il est nécessaire de comprendre leur dynamique et leur interaction avec l'écoulement afin de mieux contrôler leur dispersion depuis l'émission à l'échappement.

L'objectif de ce papier est de comprendre les effets des structures tourbillonnaires et de la turbulence sur la dispersion des nanoparticules dans le sillage d'un corps épais représentant un véhicule. Dans cette étude, le choix du corps s'est porté sur la forme la plus simple qu'est le cylindre circulaire (diamètre d=2,5cm), dont l'écoulement de sillage est connu.

L'étude se focalise sur la simulation 2D de l'écoulement avec une approche eulérienne type URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) combinée à un suivi lagrangien des particules. Les statistiques moyennes de la turbulence sont résolues à l'aide du modèle RSM (Reynolds Stress Model) associé à un traitement proche paroi type Enhanced Wall Treatment (EWT). Ce choix repose sur une étude préliminaire comparative, avec la littérature existante, concernant, en particulier, deux paramètres caractéristiques de l'écoulement monophasique du sillage d'un cylindre, à savoir, l'angle de décollement et la longueur de recirculation.

Concernant les paramètres de simulation, la vitesse d'entrée est U¥=5,56m/s. Le nombre de Reynolds associé est Re==9300 avec n la viscosité cinématique du fluide. On désigne par x la direction de l'écoulement (horizontale) et par y la direction verticale, l'origine du référentiel se trouvant au centre du cylindre. L'injecteur simulant le pot d'échappement est placé en dessous du cylindre à une position (x/d=0, y/d=- 0.62). 1000 nanoparticules de carbone de diamètre 10nm sont injectées à chaque pas de temps, qui est de 10-4s, avec un débit de 6,2510-11kg/s. Ce débit a été calculé en tenant compte de la norme EURO 6 concernant limitation des émissions des particules.

Pour évaluer les influences des structures tourbillonnaires sur la dispersion, nous avons fait tourner le modèle avec et sans la présence du cylindre. Alors que les effets de la turbulence sont évalués à travers l'activation ou non du modèle d'interaction particules-turbulence (EIM). Des profils verticaux (selon la direction y) de concentration adimensionnelle en nombre de particules par maille sont ensuite obtenus pour différentes distances x à l'aval du cylindre.

Les résultats de l'étude montrent que les nanoparticules tendent à être capturées par les structures tourbillonnaires qui se forment dans le sillage du cylindre ce qui entraine un élargissement transversal du champ de dispersion des nanoparticules. Cette dispersion est quasi symétrique par rapport à la ligne médiane (y=0m) pour des distances supérieures à 5 fois le diamètre d du cylindre. Par contre, la dispersion transversale est limitée sans la prise en compte de la dispersion turbulente au travers de l'activation du modèle (EIM).

Ces résultats montrent l'influence des structures tourbillonnaires turbulentes dans la capture et le transport de ces nanoparticules. A cet effet, leur dynamique de dispersion est fortement liée à la structure des écoulements de sillage des obstacles/véhicules.